Czyste energie Wykład 7 Falowniki w systemach PV Monitoring i eksploatacja systemów PV dr inż. Janusz Teneta C-3 pok. 8 (parter), e-mail: romus@agh.edu.pl Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2013 Sprawność falownika w systemie PV Sprawność świadczy o jakości falownika, jest ona definiowana jako: moc wyjsciowa P η moc wejsciowa P AC DC Sprawność nie jest stała, lecz zmienia się wraz ze zmianami mocy i napięcia wejściowego. Europejska sprawność ważona definiowana jest następująco: ηeuro 0.03 η 0.06 η 0.13 η 5%Pn 10%Pn 20%Pn 0.1 η30%p n 0.48 η50%p n 0.2 η100%p n Parametr ten bierze pod uwagę zachowanie falownika przy nie całkowitym obciążeniu Jest to dobry parametr do porównywania różnych falowników. 1
Sprawność [%] Sprawność [%] 2013-12-02 Sprawność przy częściowym obciążeniu Sprawność vs. obciążenie falownikasunny Boy 3000 max. Sprawność ok. 95 % przy 50% mocy nominalnej Europejska sprawność ważona: 93.6 % Znormalizowana moc wyjściowa Pac/Pacnom [%] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Sprawność przy różnym obciążeniu Sprawność falowników w różnych topologiach Falownik z transformatorem M. Cz. Falownik bez transformatora Falownik tyrystorowy Falownik z transformatorem W.Cz. Znormalizowana moc AC Pac/Pacnom [%] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany 2
Różne rodzaje systemów PV Falownik centralny Falownik szeregowy (string) Koncepcje master-slave lub Team Photos: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Tryby pracy falowników w systemach PV Falownik centralny Koncepcja Master-Slave Moduły AC i falowniki (Multi-)String Koncepcja Sunny Team 3
Sprawność Sprawność 2013-12-02 Falownik centralny + Duża moc nominalna wysoka sprawność Sprawność falownika Straty spowodowane niedopasowaniem Znormalizowana moc wyjściowa [P / P nom] - Duże straty niedopasowania (1...3%) spowodowane przez: Rozrzuty parametrów modułów PV Spadki napięcia na okablowaniu Różnice w temperaturze ogniw PV Różnice w orientacji modułów PV Zacienienie Zabrudzenie... Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Koncepcja Master-Slave + Sprawność bliska maksymalnej niezależnie od stopnia obciążenia - Wysokie straty niedopasowania - Konieczna wymiana danych pomiędzy falownikami Straty spowodowane niedopasowaniem Sprawność systemu PV Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom] 4
Sprawność Sprawność 2013-12-02 Moduły AC i falowniki (Multi-)String + zminimalizowane straty dopasowania (ok. 0,1%) + zredukowanie okablowanie DC Straty spowodowane niedopasowaniem - Niska sprawność przy niepełnym obciążeniu Sprawność Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom] Koncepcja Sunny Team + Zminimalizowane straty niedopoasowania (ok. 0,1%) + Sprawność bliska maksymalnej niezależnie od obciążenia Straty spowodowane niedopasowaniem - Wymiana danych pomiędzy falownikami Sprawność systemu Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom] 5
Sprawność 2013-12-02 Ranking topologii systemów PV 1 Falownik centralny 2 Koncepcja Master-Slave 3 Falownik szeregowy, moduł AC 4 Koncepcja Team Operation Znormalizowana moc wejściowa [P / P nom ] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Eksploatacja i monitoring systemów fotowoltaicznych 6
Monitoring Monitoring pogodowy Dzięki niemu uzyskujemy informacje o chwilowych wartościach przetwarzanej energii promieniowania słonecznego oraz o warunkach pracy systemu PV (np. temperatura powietrza). Odpowiedni zbiór danych pozwala na przeprowadzanie wiarygodnych analiz i symulacji komputerowych. Monitoring energetyczny Gromadzi informacje o parametrach elektrycznych systemu PV (stało- i zmiennoprądowych). Pozwala na kontrolę pracy systemu, wykrywanie sytuacji awaryjnych oraz analizę statystyczną. Porównanie danych z monitoringu pogodowego i energetycznego umożliwia ocenę sprawności całego systemu PV oraz wykrywanie nietypowych uszkodzeń. Minimum Monitoring pogodowy Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Temperatura otoczenia Optimum Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Rozproszone promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie horyzontalnej Całkowite promieniowanie słoneczne w płaszczyźnie modułów PV Temperatura otoczenia (powietrza) Temperatura modułów PV Ciśnienie atmosferyczne Wilgotność powietrza 7
Monitoring pogodowy przykłady stacji pomiarowych Stacja meteo na dachu budynku C3, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Monitoring pogodowy przykłady stacji pomiarowych Hokuto City, Japonia monitoring farmy fotowoltaicznej 1,2MWp 8
Promieniwanie słoneczne [ W/m2 ] Promieniwanie słoneczne [ W/m2 ] 2013-12-02 Monitoring pogodowy - przykłady pomiarów nasłonecznienia (dzień słoneczny) 1000 900 800 700 8015 Wh/m 2 Kipp&Zonen CM21 600 500 400 300 200 100 0 5:02 6:02 7:02 8:02 9:02 10:02 11:02 12:02 13:02 14:02 15:02 16:02 17:02 18:02 19:02 20:02 Godzina Źródło: pomiary własne Monitoring pogodowy - przykłady pomiarów nasłonecznienia (dzień z zachmurzeniami ) 1200 1000 5105 Wh/m 2 Kipp&Zonen CM21 800 600 400 200 Źródło: pomiary własne 0 5:02 6:02 7:02 8:02 9:02 10:02 11:02 12:02 13:02 14:02 15:02 16:02 17:02 18:02 19:02 20:02 Godzina 9
Monitoring energetyczny Standardy komunikacji z falownikami / regulatorami ładowania: Magistrala szeregowa RS485 Bluetooth Telefonia komórkowa GSM/GPRS Ethernet / Internet pozwala na zdalny nadzór/konfigurację PowerLine komunikacja przez linię energetyczną ~230V Inne Monitoring energetyczny - przykład kompleksowego systemu firmy SMA Solar Technology AG Sunny WebBox Główne urządzenie systemu odpowiedzialne za komunikację z falownikami i innymi urządzeniami w systemie, oraz za generowanie strony WWW wizualizującej pracę systemu oraz umożliwiającej zdalny dostęp po poszczególnych jego elementów Power ReducerBox Urządzenie pozwalające za pośrednictwem WebBox na ograniczanie mocy chwilowej falowników oraz zmianę współczynnika cos ф (udział mocy biernej) Sunny Home Manager Urządzenie podobne do WebBox ale dedykowane do zarządzania instalacjami w obrębie jednego gospodarstwa domowego z wykorzystaniem komunikacji Bluetooth 10
Monitoring energetyczny - przykład kompleksowego systemu firmy SMA Solar Technology AG Sunny Beam Urządzenie zbierające i wizualizujące dane pomiarowe z 12 falowników. Komunikacja Bluetooth. Niezależne zasilanie solarne. Sunny SensorBox Urządzenie wyposażone w czujnik wartości promieniowania słonecznego oraz temperatury. Opcjonalnie można zainstalować czujnik prędkości wiatru. Komunikacja RS485 lub Bluetooth. Montowany zwykle w płaszczyźnie modułów PV. Meter Connection Box Urządzenie pozwalające pobierać dane z typowego licznika energii elektrycznej z wyjściem impulsowym Monitoring energetyczny - przykład kompleksowego systemu firmy SMA Solar Technology AG FlashView Darmowe oprogramowanie pozwalające (po intuicyjnej konfiguracji ) na profesjonalną i atrakcyjną wizualizację pracy elektrowni słonecznej Sunny Matrix Tablica synoptyczna z wyświetlaczem pozwalająca na prezentację podstawowych danych o systemie fotowoltaicznym takich jak moc chwilowa, energia wyprodukowana w ciągu dnia, energia wyprodukowana od uruchomienia systemu Sunny View Kompaktowe urządzenie z 5 ekranem dotykowym przeznaczone do wizualizacji parametrów pracy instalacji PV. Komunikacja poprzez WiFi. 11
Monitoring energetyczny - przykład kompleksowego systemu firmy SMA Solar Technology AG Sunny Portal Darmowy portal, do którego urządzenia SMA mogą w sposób automatyczny przesyłać dane pomiarowe. Można w nim przygotować prezentację elektrowni fotowoltaicznej zawierające opis i zdjęcia, który będzie wzbogacany zestawieniami i wykresami prezentującymi produkcję energii w systemie. Właściciel instalacji podejmuje decyzję czy jego dane mają być publicznie dostępne, czy też dostęp do nich będzie możliwy tylko po zalogowaniu na konto. Portal generuje raporty dzienne, miesięczne i roczne przesyłając je na skrzynkę pocztową właściciela instalacji. Monitoring energetyczny Sunny Portal Żródło: wizualizacja pracy elektrowni na Sanktuarium w Jaworznie na www.sunnyportal.com 12
Monitoring energetyczny przykład codziennego raportu wysyłanego przez Sunny Portal Polskie istnalacje PV na Sunny Portal 13
Monitoring energetyczny wgląd w parametry falownika za pośrednictwem WebBox Problemy eksploatacyjne Cienie Brud Śnieg 14
Aktualna moc modułu w stosunku do mocy znamionowej [ %] 2013-12-02 Moduły CIS przy częściowym zacienieniu Problemy eksploatacyjne starzenie się modułów PV 120 100 +3% Gwarancja schodkowa 80 60 Gwarancja liniowa 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Czas pracy modułu [ lata ] 15
Problemy eksploatacyjne starzenie się akumulatorów źródło: Karty katalogowe Sonnenschein Dryfit A600 Problemy eksploatacyjne uszkodzenia mechaniczne 16
Problemy eksploatacyjne rozwarstwienie się laminatu w module PV Zdjęcia : http://www.homepower.com, http://www.schatzlab.org, M.A. Munoz : Early degradation of silicon PV modules and guaranty conditions Problemy eksploatacyjne uszkodzenia spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi Efekt bezpośredniego trafienia pioruna w panele fotowoltaiczne Zdjęcia: http://surge-arrester.com, Fraunhofer ISE 17
Problemy eksploatacyjne uszkodzenia spowodowane podmuchami wiatru Zdjęcia: www.australiansolarquotes.com.au, Chris Granda homeenergypros.lbl.gov, www.homepower.com Wyszukiwanie uszkodzeń metodami elektrycznymi I-V Checker EKO MP 170 i uzyskana za jego pomocą charakterystyka zacienionego modułu PV zdjęcie: EKO Instruments 18
Wyszukiwanie uszkodzeń metodami termowizyjnymi Widoczne pęknięcia struktury krystalicznej Zdjęcia : M.A. Munoz : Early degradation of silicon PV modules and guaranty conditions Widoczny punkt o znacznie wyższej temperaturze tzw. hot-spot Instalacje pilotażowe dane pomiarowe z działających instalacji FASADA PV C3 AGH 1,92kWp 19
Instalacje pilotażowe dane pomiarowe z działających instalacji FASADA PV C3 AGH 1,92kWp Średnio 708,3 kwh/kwp Instalacje pilotażowe dane pomiarowe z działających instalacji FASADA PV C3 AGH 1,92kWp 20
Zalety fotowoltaki Nie emituje zanieczyszczeń Nie wytwarza hałasu Nie generuje wibracji Nie ingeruje w środowisko i przestrzeń * Łatwo ją zintegrować z budynkami Gwarancja parametrów paneli PV na 25 lat Fotowoltaika a ekologia System fotowoltaiczny * o mocy 1kWp zainstalowany w Polsce jest w stanie wyprodukować rocznie od 850 do 950 kwh energii elektrycznej * System stacjonarny w optymalnym ułożeniu i w warunkach czystego horyzontu Wielkości emisji zanieczyszczeń w roku 2011 w wyniku spalania paliw w Elektrowni Bełchatów dla bloków 1-12 Emisja całkowita przypadająca na produkcję energii elektrycznej brutto Emisja jednostkowa z produkcji energii elektrycznej Emisja jednostkowa z produkcji energii cieplnej Jednostki kg/mwh kg/mwh kg/gj SO 2 2,678 2,671 0,102 NO x 1,342 1,336 0,078 pył 0,049 0,049 0,002 CO 0,383 0,382 0,015 CO 2 1096 1091 63,06 21
Dziękuję za uwagę!!! 22